压缩式胶筒结构优化及裸眼密封性能分析.docx

    压缩式胶筒结构优化及裸眼密封性能分析    钟功祥，钟升级，程柯文（西南石油大学 石油天然气装备教育部重点实验室，成都 610500）封隔器作为油气田生产开发的重要井下工具，由于其独特的作用，为油气田正常生产和各种井下工艺的顺利进行提供了有效机械手段因此，封隔器被认为是实现油气田合理开采的战略性武器[1]目前，针对于封隔器的密封准则以接触应力的大小为主，但在实际工作中，封隔器的密封性能与接触应力、肩突值[2]都有关现场使用中，封隔器胶筒组密封失效和肩突问题较为突出杨秀娟等[3]采用罚函数方法，结合密封橡胶的非线性变形过程，研究摩擦因素与接触应力之间的关系，指出摩擦因数的变化对封隔器胶筒的接触应力有比较明显的影响张丽娟等研发出适用于直径152.4 mm裸眼井眼的压缩式裸眼封隔器[4]，该封隔器能够在坐封时保护胶筒防止发生“肩突”现象，提高了封隔器承压能力李强开展了对新型密封结构密封性能的研究[5]，与常规三胶筒密封结构相比，密封胶筒组与井壁之间的最大接触压力和平均接触压力均有较大提高，有效解决了封隔器胶筒组与井壁和胶筒组与中心管之间密封性能差的问题Polonsky 等[6]分析了封隔器坐封过程中胶管的工作状态，提出了高压密封和防突结构的封隔器坐封方案。

上述研究主要集中于新型封隔器的设计,也涉及坐封方案的改进，但现有常规胶筒封隔器结构简单，密封性能较差，又由于深井、超深井的地质条件复杂、埋藏深度过大，高压压裂易导致胶筒台肩突出、撕裂和压碎等问题[7]，故其难以满足密封问题建设针对上述问题，建立封隔器密封性能指标，并根据Mooney-Rivlin[8]超弹模型、胶管变形及接触非线性理论[9],构建压缩式封隔器胶筒组在实际工作条件下的有限元计算模型,对压缩式胶筒组的关键结构进行优化，并对其裸眼密封性能进行分析1 压缩式胶筒密封性能评价指标及本构模型的建立封隔器的密封性能指标是封隔器最为重要的工作参数，直接决定了封隔器的工作性能的优劣目前，针对于封隔器的密封准则是以接触应力的大小为主，但在实际使用过程中，封隔器的密封性能与接触应力、接触长度、肩突值都有关因此针对于压缩式胶筒的密封性能评价指标要从多个方面综合考量1）接触应力P接触应力为传统评价密封性能好坏的指标，其中接触面上的最大接触应力更是评判最大密封性能的指标接触应力越大，胶筒密封性能越好，抗泄漏能力越强2）密封性能系数K密封性能系数K[10]代表了接触应力曲线在沿轴向距离上围成的面积，该指标既考虑了胶筒的接触应力，也考虑了胶筒的接触长度。

对于胶筒的承压、密封能力方面的评价更加全面密封性能系数越大，密封性能越好式中：Cp为胶筒与井壁接触应力，MPa；CL为胶筒与井壁接触长度，mm；K为密封性能系数，MPa·mm3）肩突值J肩突值的定义是胶筒压缩后压入到隔环与井壁环形空间轴向长度，如图1所示它是胶筒密封可靠性的评价标准，肩突值越大，胶筒就越容易发生破坏图1 肩突值定义Fig.1 Definition of shoulder protrusion value由于橡胶材料为高度非线性的材料，在很大的应变值下仍然能够保持原有弹性，所以不能通过杨氏模量和泊松比对其进行定义Mooney-Rivlin 模型是完全多项式中比较简单的超弹模型，在材料的精确参数未知时常使用这种模型，同时该模型能够很好的拟合不可压缩橡胶材料的中等变形情况下的力学行为，因此采用两参数的Mooney-Rivlin 模型作为胶筒的本构模型橡胶所用的聚氨酯材料的材料系数比值[11]C01/C10=0.05时的拟合曲线与试验曲线重合性好，常用胶筒材料的本构模型力学性能常数[12]如表1所示表1 橡胶材料本构模型力学性能常数Tab.1 Mechanical performance constants for rubber material constitutive models2 压缩式胶筒组建模及边界条件设置在ABAQUS 软件中对压缩式胶筒建模，其结构参数如图2所示。

图2 压缩式胶筒组结构参数Fig.2 The structural parameters of the compression-type rubber cylinder assembly中心管材料为45CrNiMoV；隔环材料为金属即高强度铝镁合金；井壁材料为45钢；胶筒1、胶筒2及胶筒3材料为橡胶，橡胶硬度分别为75 HA、80 HA、80 HA在边界条件设置中，胶筒与中心管设置为表面与表面接触，摩擦因数为0.3；隔环和中心管之间摩擦因数为0.1；胶筒与隔环的摩擦因数为0.3；胶筒与井壁的摩擦因数为0.5[13]；中心管与井壁设置为完全固定，限制隔环X方向固定、下隔环完全固定；同时在上隔环施加压缩载荷20 MPa3 压缩式胶筒组单因素分析3.1 压缩式胶筒组数值分析结果常规压缩式胶筒组Mises 应力云图如图3所示图3 压缩式胶筒组Mises 应力云图Fig.3 Mises stress cloud map of compression-type rubber cylinder assembly从图3中可以看出：胶筒1并没有完全压缩，胶筒内壁与中心管没有完全接触且存在缝隙，说明受限于单向施加载荷的影响导致远离载荷的胶筒难以产生足够的变形，胶筒有产生肩突的现象但不明显；胶筒2作为中间胶筒受载较胶筒1明显改善，胶筒与中心管和井壁完全贴合，有一定的肩突现象；胶筒3离受载荷端最近，胶筒过度压缩产生了明显的肩突现象，上端肩突值比下端肩突值更加明显且应力更加集中。

从胶筒的应力分析可以看出，每个胶筒应力的最大位置都处于受载一端即隔环挤压胶筒发生肩突的区域，胶筒3的Mises 应力值最大为22.3 MPa，肩突值为5.8 mm胶筒组沿轴向距离的接触应力曲线如图4所示图4 胶筒组沿轴向距离的接触应力曲线Fig.4 The contact stress curve along the axial distance of the cylinder assembly从图4可以看出：胶筒1的最大值为1.1 MPa，密封性能系数K＝31 MPa·mm；胶筒2的最大接触应力为3.1 MPa，密封性能系数K为94.4 MPa·mm；胶筒3的最大接触应力为13.4 MPa，密封性能系数K＝429.5 MPa·mm由于胶筒1和胶筒2的密封性能系数以及整体接触应力相较于胶筒3差距较大，表明胶筒3是胶筒组中的主要密封部分，很大程度上决定了压缩式胶筒组的密封性能3.2 内衬套结构对压缩胶筒密封性能的影响压缩式胶筒在坐封时，胶筒1和胶筒2由于离载荷端较远，坐封不完全，最终导致接触应力与密封性能系数都较低如图5所示，通过在胶筒内壁与中心管之间添加不同形状的内衬套结构和考虑无内衬套的异型胶筒结构，分析胶筒组在轴向载荷下的变形情况以及胶筒组与井壁之间接触压力的变化[14]。

图5 3种内衬套结构参数Fig.5 Structural parameters of three types of inner liner不同内衬套结构胶筒组的接触应力曲线如图6所示从图6中可以看出：横坐标为实际应力产生的位置，虽然内衬套结构对应力位置会产生一定的影响，但差别不大，3种结构最大应力都出现在胶筒3与上隔环接触位置[15]胶筒组整体应力情况沿加载端轴向减小，最大接触应力分别为三角形14 MPa、梯形14.2 MPa、异型胶筒14.3 MPa，相较于常规胶筒的13.4 MPa 均有一定提升；整体接触应力三角形和梯形内衬套提升明显，异型胶筒在沿着轴向距离的接触应力下降较快图6 不同内衬套结构胶筒组的接触应力曲线Fig.6 Contact stress curves of cylinder assemblies with different inner liner structures不同内衬套结构胶筒组的密封性能系数曲线如图7所示从图7中可以看出：胶筒组和单个胶筒的变化趋势一致；异型胶筒的K值相比于常规胶筒有一定减少，仅为552.1 MPa·mm；三角形内衬套和梯形内衬套对于胶筒的密封性能均有提升，其中三角形内衬套提升最大，相较于常规胶筒K值提升了16.1%,达到644.2 MPa·mm。

相反，异型胶筒的K值相比于常规胶筒在一定程度上有所减少图7 不同内衬套结构胶筒组的密封性能系数曲线Fig.7 Coefficient of sealing performance curves for cylinder assemblies with different inner liner structures不同内衬套结构的肩突值曲线图、压缩距柱状图、胶筒变形图如图8所示从图8中可以看出：异型胶筒的中间留有凹槽易压缩，其压缩距最大为53.4 mm，其余两种结构的压缩距均为51 mm 左右，无明显变化；异型胶筒的肩突值最大为6.2 mm，三角形结构较常规胶筒提升约5.2%为6.06 mm；整体变形情况，三角形结构坐封后空隙少，压缩效果好，其次是梯形结构，而异型胶筒空隙大、效果最差图8 不同内衬套结构肩突曲线、压缩距柱状及胶筒变形图Fig.8 Shoulder protrusion curves,compressed distance cylinder charts,and cylinder deformation maps for cylinder assemblies with different inner liner structures综上所述：内衬套结构能够增强胶筒组的密封性能，其中三角形内衬套的效果最好，压缩相对更加完全，且对于肩突值的影响较小，不会增加肩突风险；异型胶筒虽然在最大接触应力方面效果更好，但其接触应力趋势下降太快，密封性能系数低。

3.3 防突结构对压缩胶筒密封性能的影响在实际工作条件下，肩突是导致胶筒破坏的主要原因[16]，所以需要对密封胶筒进行防突结构的设计与分析这里提出两种防突结构：金属圆环和环形金属片，结构参数如图9所示图9 两种防突结构结构参数Fig.9 Structural parameters of two types of anti-protrusion structures添加防突结构后，3种胶筒组的接触应力曲线如图10所示从图10中可以看出：3种结构最大应力都在胶筒3与上隔环接触位置，且位置几乎相同添加环形金属片后，胶筒2和胶筒3都出现了接触应力陡然升高随后回落，其接触应力的最大值分别为8.4 MPa、13.6 MPa，分析认为这是由于钢片变形后产生的回弹力引起的应力畸变；而添加金属圆环后，最大接触应力值为12.7 MPa，相较于常规胶筒减少了5.2%通过常规与金属圆环的接触应力曲线发现：常规胶筒的最大接触应力发生在胶筒3的端部；由于金属圆环结构增强了胶筒端部的刚度，在同样载荷下金属圆环胶筒端部变形相较于常规胶筒变形程度较低，这就会降低胶筒组的最大接触应力，胶筒1和胶筒2处金属圆环产生的最大接触应力分别为1.7 MPa 和4.4 MPa，相较于常规胶筒分别提高了54.5%和41.9%。

从接触长度方面看，常规胶筒的接触长度包括由于肩突而产生的接触面，所以环形金属片和金属圆环的接触长度相较于常规胶筒有所缩短图10 3种结构胶筒组的接触应力曲线Fig.10 Contact stress curves for three types of cylinder assemblies with different structures3种结构胶筒组的密封性能系数曲线如图11所示，从图中可以看出：添加环形金属片胶筒组的密封性能系数K值相较于常规胶筒组减少了39%，为。